基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法技术方案

一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离

【技术实现步骤摘要】
基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法
本申请为申请号:202011107091.0,名称:基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法,申请日:2020/10/16]之分案申请。


[0001]本专利技术涉及的是一种土木工程测试领域的技术，具体是一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法。

技术介绍

[0002]现有的机器人辅助桥梁拉索索力检测技术是通过沿索缆攀爬过程中对索缆表面与内部进行检测，但这种工业机器人较为笨重，智能化程度不高，设备成本较高，测量耗时。另外基于索力与拉索的固有频率之间的数学关系，通过振动频率测量方法，以加速度传感器和基于光纤传感为代表的桥梁拉索索力监测方法可以实现在线监测，但是只能实现某根拉索某一位置的单点测试，当进行多根拉索或某根拉索多点测试时需要布置多个加速度传感器或光纤光栅振动传感器组实现拉索索力的分布式测量，然而这种接触式的振动测量方法需要较为复杂的传感器安装，组网布线复杂，测试耗时费力。
[0003]非接触式测量中主要有基于视频的拉索振动监测方法，但是这种方法易受光线等环境因素影响，测量精度较低，频率响应带宽受限；而现有的基于微波雷达的索力监测方法受限于发射带宽，距离分辨率较低，静态杂波干扰、邻近多分量耦合及同距离单元分量混叠干扰问题突出，导致无法实现高精度的形变与振动测量。特别是，针对工程实际拉索索力测试中，由于拉索较长，多根拉索常处于相同或相邻的距离单元而难以分辨，且雷达波束辐射范围内易产生邻近距离单元的多拉索振动耦合及同距离单元的多拉索振动混叠干扰，导致拉索的振动测量精度显著降低，甚至失效。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的缺陷和难点，提出一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统及方法，通过距离
‑
角度联合维度对桥梁多根拉索上的多测点进行定位与分辨，同步提取拉索群的多测点振动响应信息，对拉索群索力进行准确测量，在桥梁拉索索力监测中具有广阔的应用前景和工程应用价值。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统，包括：用于发射和接收线性调频连续波微波信号的微波雷达前端、处理器模块和显示与保存模块，其中：处理器模块包括：用于同步采集微波雷达前端输出的多通道基带信号的信号采集子模块、用于对多通道基带信号进行处理并同步提取拉索群多拉索的振动位移时间序列的信号处理子模块和用于对多拉索的振动位移时间序列信号进行特征分析、计算多拉索的索力并评估拉索索力异常与损伤风险的特征分析子模块，显示与保存模块显示包括多拉索全场测点分布热图、多拉索振动响应测量结果及多拉索索力在内的信息，并用于保存拉索群多拉
索索力的测量结果和预警分析结果。
[0007]所述的微波雷达前端包括：至少一个发射天线、多个接收天线以及线性调频连续波微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器组件，其中：接收天线等间隔线性阵列分布。
[0008]本专利技术涉及一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测方法，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离
‑
角度联合维实现多根拉索的多测点定位与有效测点选择，并提取各测点的振动响应，实现拉索群索力的在线同步监测与预警。
[0009]所述的拉索的距离
‑
角度像信息包括：距离维度和角度维度的准确定位信息。
[0010]所述的拉索的距离
‑
角度像信息，通过以下方式得到：取某个扫频周期接收到的多通道中频基带信号H，设多通道中频基带信号按列排布组成矩阵信号H，对信号H按列做快速傅里叶变换得到拉索群的距离像信息H
f
，然后对H
f
按行做快速傅里叶变换，得到拉索群的距离
‑
角度像矩阵H
ff
。
[0011]所述的定位是指：对矩阵H
ff
取复数幅值，得到拉索群反射能量的距离
‑
角度联合维度热图，根据峰值搜索和拉索群的实际空间分布，实现拉索群全场测点的定位与辨识，并根据信号强度与杂波干扰强度选择被测拉索的有效测点，得到各测点对应的矩阵H
ff
的索引位置。
[0012]所述的每根拉索的振动响应信息，通过以下方式提取：
[0013]步骤1，提取各测点的干涉相位演变时间序列，具体为：其中：为第q根拉索测点测点第i个发射周期干涉相位的估计值，T为线性调频信号的重复发射周期，arg[
·
]为取复数相位操作，s
i
(
·
)为第i个发射周期多通道中频基带信号矩阵，N
z
为多通道中频基带信号H按列做快速傅里叶变换的离散点数，M
z
为对H
f
按行做快速傅里叶变换的离散点数，k
q
和p
q
分别为第q根拉索测点的距离维度索引和角度维度索引；
[0014]步骤2，计算各拉索的振动位移时间序列，具体为：其中x(q，iT)为第q根拉索测点第i个发射周期位移时间序列估计值，λ
c
为线性调频连续波载波中心频率对应的波长，为的平均值。
[0015]所述的拉索群在线同步监测与预警，具体包括：
[0016]步骤i)计算每根拉索的索力大小F
q
(q＝1，2，
…
Q)，其中Q为被测拉索的总个数。通过对每个拉索测点的位移时间序列x(q，iT)进行频谱分析，从中提取振动的一阶固有频率f
q
，并根据拉索索力与拉索一阶固有频率的数学关系得到索力其中：ρ为拉索的线密度，L
q
为第q根拉索的长度；
[0017]步骤ii)判断拉索索力测量值是否超过设定的安全阈值，如果超过阈值，发出警报
和提醒；分析拉索群各拉索索力的差异，结合实际空间分布和承载特点，当拉索索力和邻近拉索的索力差异超过阈值，判断此拉索具有损伤风险。技术效果
[0018]本专利技术整体解决了现有基于微波雷达的拉索索力测量技术存在的多根拉索不易定位与测点混叠问题，测试可靠性与易用性差；解决索力测量中，难以克服多根拉索测点耦合与混叠杂波干扰，导致的索力测量精度差的问题。
[0019]与现有技术相比，本专利技术通过距离
‑
角度联合维度实现了拉索群多根拉索多测点的全场定位与辨识，能够有效分辨拉索群的测点位置，提高了测试的可靠性与易用性；通过全场振动测量解决了多根拉索测点的邻近距离单元耦合和同距离单元混叠的干扰难题，实现了拉索群多根拉索测点的准确振动信息提取，从而实现准确的拉索群索力的同步在线测量，且可实现全天时全天候在线监测，测试与操作简便且成本低。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征在于，包括：用于发射和接收线性调频连续波微波信号的微波雷达前端、处理器模块和显示与保存模块，其中：处理器模块包括：用于同步采集微波雷达前端输出的多通道基带信号的信号采集子模块、用于对多通道基带信号进行处理并同步提取拉索群多拉索的振动位移时间序列的信号处理子模块和用于对多拉索的振动位移时间序列信号进行特征分析、计算多拉索的索力并评估拉索索力异常与损伤风险的特征分析子模块，显示与保存模块显示包括多拉索全场测点分布热图、多拉索振动响应测量结果及多拉索索力在内的信息，并用于保存拉索群多拉索索力的测量结果和预警分析结果。2.根据权利要求1所述的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征是，所述的微波雷达前端包括：至少一个发射天线、多个接收天线以及线性调频连续波微波信号源、功分器、功率放大器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器组件，其中：接收天线等间隔线性阵列分布；所述的接收天线的间距小于或等于发射微波信号载波波长的一半；当发射天线为多个时，依据分时发射复用原则进行空间布局，产生成倍增加的等效虚拟接收通道。3.根据权利要求2所述的桥梁拉索群索力同步监测系统，其特征是，所述的线性调频连续波微波信号源与功分器相连传输线性调频载波信号，功分器一端与功率放大器相连，一端与混频器相连并传输本振信号；功率放大器与发射天线相连并传输放大的线性调频载波信号，接收天线与低噪声放大器相连，低噪声放大器与混频器相连并传输放大的接收信号，混频器的输出端与低通滤波器相连并产生中频基带信号；线性调频连续波微波信号源的信号经过功分器分为两路，一路经过功率放大器连接发射天线，由发射天线发射，一路与放大的接收信号通过混频器产生混频信号；接收天线接收拉索群反射的微波信号，经低噪声放大器传输给混频器；混频器将低噪声放大器传输的微波信号与经过功分器后的另一路微波本振信号混频处理，经低通滤波器处理后输出多通道基带信号。4.一种基于上述任一权利要求所述系统的微波全场感知的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征在于，将微波雷达前端波束方向对准待测桥梁拉索，控制发射天线重复发射线性调频连续波微波雷达信号并由多个接收天线接收待测多根拉索的反射信号，经混频得到多通道中频基带信号；然后根据多通道中频基带信号基于距离
‑
角度联合维实现多根拉索的多测点定位与有效测点选择，并提取各测点的振动响应，实现拉索群索力的在线同步监测与预警。5.根据权利要求4所述的桥梁拉索群索力同步监测方法，其特征是，所述的拉索的距离
‑
角度像信息包括：距离维度和角度维度的全场定位信...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊玉勇，彭志科，李松旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：